Transcript Wielki Zderzacz Hadronów fascynująca podróż do

WIELKI ZDERZACZ HADRONÓW
FASCYNUJĄCA PODRÓŻ DO POCZĄTKÓW
WSZECHŚWIATA
inż. Malgorzata Janik
inż. Łukasz Graczykowski
Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej
CERN – Europejski Ośrodek Badań Jądrowych
X Liceum Ogólnokształcące im. Królowej Jadwigi
18.03.2010 r.
Fundamentalne pytanie
Z czego zbudowany jest
Świat?
Trudne pytanie. Zastanówmy
się więc…
2
Zacznijmy od podstaw
Pytasz, z czego jesteśmy zbudowani.
A słuchałaś na lekcjach fizyki i chemii?
Atom – podstawowa cząstka
materii zbudowana z dodatnio
naładowanego
jądra
oraz
krążących wokół niego ujemnie
naładowanych elektronów.
No, coś tam mi się obiło o uszy. Pani
wspominała o cząsteczkach i atomach…
3
… z powodu swojego małego rozmiaru oraz dużej
gęstości, naukowcy początkowo sądzili, że jądro jest
niepodzielne. Badania Rutherforda na przełomie XIX
i XX wieku wykazały, że tak nie jest.
Jądro atomowe zbudowane
jest z dodatnio naładowanych
protonów oraz obojętnych
neutronów.
A czy wiesz, że neutrony i protony nie
są cząstkami elementarnymi?
4
Kwarki
Fizycy odkryli, że protony i neutrony zbudowane
są z jeszcze mniejszych cząstek, które nazwali
kwarkami. Według obecnego stanu wiedzy, są one
już niepodzielne (elementarne).
Istnieje 6 kwarków,
które grupują się w
pary
tworząc
3
generacje. Każdemu
kwarkowi odpowiada
również antykwark.
Protony i neutrony
składają się tylko z
kwarków I generacji
(górnego i dolnego).
5
Podsumujmy zatem, czy dobrze
zrozumiałam:
Mamy więc atomy, które są
zbudowane z jądra oraz
krążących wokół elektronów.
Jądro zbudowane jest
z nukleonów – czyli protonów
i neutronów.
Nukleony natomiast
zbudowane są z jeszcze
mniejszych cegiełek - kwarków.
Kwarki (i elektrony) są już
niepodzielne.
6
Leptony
A właściwie, to dlaczego elektron nie składa się
z kwarków?
Istnieje 6 niepodzielnych
leptonów, które podobnie
jak kwarki, dzielą się na 3
generacje (elektron, taon,
mion, trzy typy neutrin).
Elektron jest niepodzielny, ponieważ należy do grupy
cząstek zwanych leptonami, które zgodnie z dzisiejszą
wiedzą są niepodzielne.
7
Nowe cząstki
Oprócz wspomnianych podstawowych cząstek,
w przyrodzie występują inne, mniej znane twory
(składające się z kwarków). Kataloguje się je i odnajduje
zależności między nimi. Obecnie znanych jest kilkaset
różnych cząstek (na przykład J/Psi, Upsilon, czy
hiperony lambda, i wiele innych..).
Nie wydaje mi się możliwe, by ktokolwiek był
w stanie to wszystko zapamiętać…
Spokojnie, nawet wielki Enrico Fermi powiedział kiedyś
do swojego studenta Leona Ledermana (obaj to laureaci
Nagrody Nobla): „Młody Człowieku, gdybym potrafił
spamiętać nazwy tych wszystkich cząstek, to zostałbym
botanikiem, a nie fizykiem.”
8
Oddziaływania
No dobra, to już wiem, z czego Świat jest
zbudowany, ale jak to wszystko trzyma się
w całości i nie rozpada?
Dowolne siły działające
na obiekty fizyczne,
które możemy sobie
wyobrazić, opisywane są
przez cztery typy
oddziaływań.
Dzieje się tak dlatego, że cząstki oddziałują ze sobą.
Oddziaływania takie nazywamy „siłami”.
9
Podsumowując
Zbierając 6 kwarków, 6 leptonów (oraz ich
antycząstki), 4 typy oddziaływań oraz opis
matematyczny, fizycy stworzyli teorię zwaną
Modelem Standardowym.
To już zaczynam rozumieć! Mając zatem składniki
(w postaci cząstek oraz oddziaływań) oraz przepis
(matematyka), jesteśmy w stanie ugotować (opisać)
Wszechświat.
10
Nie wiem jednak,
skąd to wszystko
się wzięło.
Słyszałam o czymś
takim jak Wielki
Wybuch.
13,7 mld lat temu,
cały Wszechświat był
nieskończenie mały.
Wtedy, niewiadomo
dlaczego, nastąpił
Wielki Wybuch….
11
13,7 mld lat temu,
cały Wszechświat był
nieskończenie mały.
Wtedy, niewiadomo
dlaczego, nastąpił
Wielki Wybuch….
Gdy
Wszechświat
osiągnął
już
Atomy
narodziły
się
dopiero
Wszechświat
nadal
cały
czas
się
ewoluuje,
Powstałe
atomydzisiejszych
zaczęły
Do
Gdy
tego
temperatura
momentu
spadła
W
miarę
rozszerzania
się,zbijać się
połowę
swoich
w
300
000
lat
później,
wtedy
to
rozszerzał
jednak
powstała
itylko
gdy
był
populacja
już
1000
W
pewnym
momencie
punkt
w
wielkie
obszary
gazowe,
Wszechświat
i
była
już
był
100
jeszcze
000
razy
temperatura
rozmiarów,
wulegała
wyniku
reakcji
Materia
i
energia
były
Wszechświat
na
tyle
się
razy
gwiazd
większy
zaczyna
niż
powoli
Układ
zanikać
zaczął
się
błyskawicznie
zten
których
następnie
powstawały
bardzo
większa
młody,
niż
temperatura
bowiem
istniał obniżeniu
i
gdy
była
syntezy
jądrowej,
jaka
zachodziła
skupione
wże
pojedynczym,
rozszerzył,
jego
temperatura
Słoneczny,
cały
dostępny
rozpoczął
materiał
sięgazowy,
tzw.
powiększać
i
jednocześnie
gwiazdy.
W
miarę
rozszerzania
się
dopiero
Słońca,
jedną
cały
Wszechświat
minutę.
Wciąż
był
100
milionów
razy
większa
od
w
rdzeniach
gwiazd,
powstała
już
nieskończenie
małym
spadła
do
takiego
poziomu,
przy
proces
został
już
nukleosyntezy,
wykorzystany
czyli
na ich
ochładzać.
To
właśnie
owo
Wszechświata,
gdy
ten
już
był
wielkości
bardzo
naszego
gorący,
co
Układu
temperatury
Słońca narodziły
większość
pierwiastków
punkcie,
o
nieskończenie
którym
elektrony
mogły
związać
łączenia
budowę.
się
Za
protonów
kolejnych
mniej
błyskawiczne
rozszerzanie
się
osiągnął
20%
dzisiejszej
uniemożliwiało
Słonecznego.
Wtedy
połączenie
także
się
się
wspomniane
tworzących
dzisiejsze
planety.
dużej
temperaturze.
się
z jądrami
i stworzyć
pierwsze
iwielkości,
więcej
neutronów
15zaczęły
miliardów
w
jądra
lat
atomowe.
nazywamy
dzisiaj
Wielkim
gwiazdy
te
zaczęły
powstałych
kwarki
jąder
łączyć
się
ze
oddziaływania,
które
dzisiaj
Gdy
wszechświat
osiągnął
2/3
neutralne
atomy.
W
owym
czasie
W
Wszechświat
ten
sposób
nie
powstały
będzie
już
dla
Wybuchem.
zbijać
się
w
gromady
tworząc
z
sobą
elektronami
tworząc
i
protony
powstanie
obserwujemy,
a jedynymi
dzisiejszej
wielkości
powstał
nasz
Wszechświat
był
tylko
1000
razy
najstarsze
nas
tak
rozgwieżdżony
jądra
wodoru,
jak
helu,
jest
zalążki
galaktyk.
neutralnych
i neutrony.
atomów.
cząstkami
były
kwarki.
Układ
Słoneczny.
Jest on dosyć
mniejszy
niż jest dzisiaj.
czy deuteru.
dzisiaj.
młody, gdyż jego wiek ocenia się
na ok. 5 miliardów lat.
12
Zgodnie ze współczesnymi teoriami Wszechświat, który powstał w wyniku
Wielkiego Wybuchu przeszedł przez etap, w którym materia istniała jako rodzaj
niezwykle gęstej, gorącej zupy, zwanej plazmą kwarkowo-gluonową (QGP),
złożonej z elementarnych cegiełek materii - kwarków i gluonów. Kiedy
Wszechświat ostygł, kwarki zostały uwięzione w złożonych cząstkach, takich jak
na przykład protony i neutrony.
Zjawisko takie zwane jest
uwięzieniem kwarków.
13
14
Gdyby odwrócić historię rozwoju Wszechświata to
tak, jakby zaglądać do wnętrza atomu!
Przyroda
10 –6 s
10 –4 s
1.5 *109 lat
3 min
Eksperyment
Dokładnie! Tak właśnie rozumują naukowcy! Dlatego
konstruują oni eksperymenty, które próbują odtworzyć
warunki panujące na początku Wszechświata!
15
Hmmm, jeśli na początku istnienia Wszechświata
było bardzo gorąco i bardzo gęsto, to wychodzi na
to, że powinniśmy podgrzać i ścisnąć materię.
Taaaak…. Ale chyba trzeba by to
zrobić trochę inteligentniej.
16
Tylko jak to zrobić? Jak podgrzewać i ściskać protony i
neutrony? Mam pomysł! A co byś powiedział na to, gdyby
zderzać je ze sobą, wtedy na krótki moment byłyby bardzo
mocno ściśnięte i zapewne by się rozgrzały?
Tak! Dokładnie o to chodzi! Właśnie takie
urządzenia konstruują naukowcy!
Właściwie, to mamy dwa rodzaje układów
zderzających cząstki.
18
Pewnie zastanawiasz się, jak taki akcelerator działa?
Otóż przyspieszać umiemy jedynie cząstki naładowane (np.
protony, jony). W uproszczeniu polega to na tym, że w
akceleratorze za pomocą specjalnych elektromagnesów
generowana jest fala elektromagnetyczna. Cząstki takie, tak jak
surferzy na falach morskich, przemieszczają się na jej grzbietach.
19
Ostatnio w telewizji słyszałam o czymś takim.
Chodzi o urządzenie zwane Wielkim Zderzaczem
Hadronów (LHC). Podobno ma produkować
Czarne Dziury i może zniszczyć Świat!
Weź się nie wygłupiaj! Chyba sama w to nie
wierzysz.
20
21
Ostatnio w telewizji słyszałam o czymś takim.
Chodzi o urządzenie zwane Wielkim Zderzaczem
Hadronów (LHC). Podobno ma produkować
Czarne Dziury i może zniszczyć Świat!
Weź się nie wygłupiaj! Chyba sama w to nie
wierzysz.
Oczywiście, że nie, żartowałam! Ale trzeba
przyznać, że LHC jest niesamowite. Ma 27 km
obwodu i kosztował prawie 15 miliardów
złotych (5 mld CHF)! W dodatku jest największą
na świecie lodówką, w której temperatura
wynosi w całej jego długości około 2 K.
22
Alpy/Masyw Mont Blanc
Genewa
Jezioro Genewskie
LHC
CERN/Meyrin
23
100 m
24
25
CERN/LHC - Large Hardon Collider
(Wielki Zderzacz Hadronów)
LHC
to prawdziwa księga rekordów
Guinnessa
W tych rurach
krążą protony;
ich prędkość:
v=0.999999991c
Energia: E=7 TeV
Długość tunelu
akceleratora
L=27km
Próżnia
P=10-10 Tr
Głębokość
tunelu akc.
H=100m
c – prędkość światła
Temperatura
T=1.9 K=
-271.2 oC
Magnesy nadprzewodzące:
Prąd elektryczny: I=11 700 A
Pole magnetyczne: B=8.7 T
27
Zderzenia
28
A skąd tam się wzięło tyle cząstek? Czy można
stworzyć coś z niczego?
Nie „z niczego”, tylko z energii. Przecież E=mc2 !
Jeśli więc energia zderzenia będzie wystarczająco
duża, to zmieni się w masę nowych cząstek.
29
Czyli to tak, jakbyśmy zderzali dwie truskawki,
a w wyniku otrzymali więcej truskawek, do tego
żołędzie, dwie gruszki, jabłko, śliwkę i banana!
30
A w praktyce wygląda to tak!
E=mc2
31
W LHC mamy nadzieję, że przyspieszenie cząstek do
tak dużych energii (7 TeV), spowoduje powstanie, w
wyniku zderzenia, plazmy kwarkowo-gluonowej.
No dobra, a skąd będziemy wiedzieć, że ta plazma
tam powstała?
32
Diagram fazowy wody
Temperatura krytyczna, poniżej
której następuje przejście
fazowe? To mi przypomina naszą
wodę. Poniżej temperatury
0 stopni woda zamarza,
zamieniając się w lód tworząc
sieć krystaliczną.
Tak samo dzieje się z kwarkami.
Poniżej pewnej temperatury
łączą się one w protony,
neutrony i inne cząstki.
Diagram fazowy QGP
33
Każdy z eksperymentów na LHC ma wyznaczone
własne cele. Badaniem plazmy kwarkowogluonowej zajmuje się ALICE (A Large Ion Collider
Experiment).
34
To już wiem, który z eksperymentów zajmuje się
badaniem plazmy kwarkowo-gluonowej. Jakie są
więc zadania pozostałych?
Obecna wiedza o Wszechświecie nie jest kompletna.
Model Standardowy co prawda jest naszą najlepszą
teorią, jednak nie idealną. LHC ma zatem spróbować
wyjaśnić to, co obserwujemy doświadczalnie,
a czego Model Standardowy nie tłumaczy. Nie
wiemy:
- dlaczego cząstki w ogóle mają masę?
- dlaczego świat jest zbudowany z materii a nie
antymaterii?
- czym są tzw. ciemna materia i ciemna energia?
35
Problemem istnienia masy zajmują się
eksperymenty ATLAS oraz CMS. Postuluje się
istnienie słynnej już cząstki Higgsa – Świętego
Graala współczesnej nauki.
Model Standardowy nie wyjaśnia zagadnienia początku masy ani nie
daje odpowiedzi na pytanie – dlaczego niektóre cząstki są bardzo
ciężkie a inne nie mają masy w ogóle? Być może odpowiedź na nie da
tak zwany mechanizm Higgsa. Według tej teorii cała przestrzeń
wypełniona jest tzw. polem Higgsa, przez oddziaływanie z którym
cząstki uzyskują masę. Cząstki, które oddziałują silnie z polem Higgsa są
ciężkie, natomiast te które oddziałują słabo są lekkie. Pole Higgsa ma
przynajmniej jedną nową cząstkę z tym związaną – bozon Higgsa. Jeżeli
ta cząstka istnieje, to eksperymenty w LHC będą mogły ją wykryć.
36
Science Fiction
Jeśli odkrylibyśmy Higgsa → dzięki temu nauczyli ekranować pole
Higgsa (elektromagnetyczne już potrafimy - tzw. niewidzialność
optyczna) → moglibyśmy stworzyć samochody potrafiące
przyspieszać do ogromnych prędkości w ułamkach sekund!
Odkrywamy Higgsa→ rozumiemy skąd się bierze masa → potrafimy
kontrolować bezwładność → wypadki samochodowe lub lotnicze przestają
być groźne bo wyeliminujemy obrażenia związane z gigantycznymi
przeciążeniami.
37
Kolejny problem, to materia i antymateria. Zrozumieć go
próbuje eksperyment LHCb.
Na początku Wszechświat był zbudowany
w równych proporcjach z materii i antymaterii.
Gdyby podczas ewolucji Wszechświata materia
i antymateria były swoim lustrzanym odbiciem
unicestwiłyby się całkowicie, zostawiając jedynie
energię. Dlaczego jednak część materii
pozostała, tworząc galaktyki, Układ Słoneczny,
naszą planetę i nas? LHC będzie badać, skąd
bierze się ta niewielka różnica, jaka istnieje
między materią i antymaterią.
38
Problem ciemnej materii oraz ciemnej energii badają z kolei
również eksperymenty ATLAS i CMS.
Astronomowie od dawna obserwują ruchy
gwiazd i galaktyk na niebie, a od kilkudziesięciu
lat coraz lepiej widzą, że obserwacje te są
sprzeczne ze znanymi nam prawami fizyki.
Prawa fizyki można „uratować” jeśli założymy, że
we Wszechświecie znajduje się ogromna ilość
materii innej niż ta, którą znamy – materii
niezbudowanej z atomów, nieoddziałującej ze
światłem, a więc ciemnej. Dzięki poszukiwaniom
w LHC nowych, ciężkich cząstek, słabo
oddziałujących ze zwykłą materią, być może
będziemy w stanie przybliżyć się do rozwiązania
tej zagadki.
Ciemna energia z kolei tłumaczy obserwowaną
coraz większą prędkość rozszerzania się
Wszechświata. Podobnie jak ciemnej materii, nie
udało się jeszcze potwierdzić jej istnienia.
39
Czy jednak tak abstrakcyjna wiedza jest nam tak
naprawdę potrzebna? Czy nie uprawiamy tutaj
„sztuki dla sztuki”? Jaki efekt dla zwykłego
człowieka mają prace wykonywane na LHC?
Ten największy na świecie eksperyment wymagał
rozwiązania wielu problemów technicznych przy
jego budowie. Nikt nie wie, jakie korzyści ta wiedza
przyniesie dla społeczeństwa w przyszłości…
40
Przylatujących na lotnisko w Genewie, po wyjściu
z samolotu, wita tablica…
• nie przemysł,
• nie wojsko,
• nie biznes,
• nie polityka...
ale
FIZYKA !
...stworzyła potrzebę i znalazła rozwiązanie,
z którego teraz korzysta cały Świat!
CERN
Największe
na świecie
laboratorium
fizyki
gdzie narodził się
World Wide
Web...
... 5 minut stąd!
41
CERN to oczywiście nie tylko LHC, lecz ogromny ośrodek
badawczo-naukowy zatrudniający ponad 10 tysięcy
pracowników z całego świata, w którym przeprowadzane
są od ponad pół wieku badania również z innych dziedzin
nauki: wielu innych gałęzi fizyki, chemii, czy biologii.
42
Technologie stworzone dla potrzeb CERN zostały
wykorzystane w:
1. Medycynie
- diagnostyka: tomografia emisyjna PET, pozwalająca na badanie
fizjologii organizmu, tomografia komputerowa CT,
- leczenie: terapia hadronowa umożliwiająca skuteczne leczenie głęboko
położonych guzów.
2. Przemyśle:
- opracowano technologię opartą na materiale zwanym getterem,
który można zastosować do poprawy izolacji termicznej urządzeń
gospodarstwa domowego (np. lodówki).
3. Środowisko:
- dzięki opanowaniu technologii wytwarzania ultrawysokiej próżni oraz
łączenia szkła z metalem, płaskie próżniowe kolektory słoneczne
przechodzą z fazy prototypu do sprzedaży, co stanowi znaczny postęp
w wytwarzaniu energii ze źródeł odnawialnych.
4. Technologie informacyjne:
- oprócz WWW niedawno powstała światowa sieć komputerów GRID.
43
Słyszałam, że ty w poprzednie wakacje odwiedziłeś
CERN? Pewnie strasznie ciężko się tam dostać…
Polska, jako członek CERN, uczestniczy w programie
Summer Student, który umożliwia wyjazd tam
polskim studentom w okresie wakacji. Ponadto,
wiele polskich uczelni i instytutów naukowych jest
mocno zaangażowanych w wykonywane tam prace.
Możliwości jest wiele.
44
Podsumowanie
1. Poznaliśmy budowę materii i dowiedzieliśmy się, czym jest Model
Standardowy.
2. Cofając się do początków Wszechświata natrafiliśmy na plazmę
kwarkowo-gluonową.
3. Aby zrozumieć mechanizmy nią rządzące, postanowiliśmy ją
wytworzyć, używając w tym celu urządzeń zwanych zderzaczami.
4. Obecnie największym zderzaczem na świecie jest LHC, Wielki
Zderzacz Hadronów, znajdujący się w CERN.
5. Poznaliśmy zasadę jego działania, oraz główne zadania.
6. Wyjaśniliśmy mechanizmy przeprowadzania zderzeń cząstek.
7. Dowiedzieliśmy się w jakich dziedzinach życia zostały wykorzystane
technologie stworzone w CERN.
45
A my tam byliśmy, miód i wino piliśmy…
46
DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ!
47
Ciekawe i przydatne linki
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Strona domowa CERN http://www.cern.ch
Strona domowa Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej http://www.if.pw.edu.pl
Strona poświęcona wystawie o LHC w ramach Festiwalu Nauki „Jak to działa?”
http://lhc.edu.pl
Broszura tłumacząca w przystępny sposób ideę i działanie akceleratora LHC
http://lhc.edu.pl/Inside-LHCGuide-Polish_mod.pdf
Film Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego prezentujący CERN i LHC
http://www.knf.pw.edu.pl/lhc/lhc.avi
Film National Geographic z cyklu „Wielkie Konstrukcje” na temat LHC
http://www.youtube.com/watch?v=kIyQWJ9izrs (link do części I)
Książka Leona Ledermana „Boska Cząstka”
http://www.wiw.pl/fizyka/boskaczastka/
Particle Adventure – strona tłumacząca w prosty i ciekawy sposób fizykę cząstek
http://www.particleadventure.org
„Large Hadron Rap” – teledysk o LHC w wykonaniu młodych naukowców z CERN
http://www.youtube.com/watch?v=j50ZssEojtM
48